피카츄H

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 00000000..

영문 : 00000000..

과제 팀명

피카츄H

지도교수

이두환 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 문**(팀장)

서울시립대학교 화학공학부·과 20173400** 안**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

수소차 (FCEV)와 전기차 (BEV)의 구동원리 및 효율 등을 여러 기준들을 종합하여 두 친환경차에서의 우위를 가려본다. 수소차와 전기차의 효율은 well-to-wheel (WTW) 분석으로 진행하여 원유 산지 (Well)부터 자동차 주행 과정 (Wheel)에 이르기까지 전체 과정에 거친 에너지 손실을 계산한 효율을 비교한다. 또한 CO2 배출 등의 환경 영향을 우리나라의 관점에서 해석하고, 원료 생산에서 부터의 비용을 측정하여 통합적 평가를 제시한다.

개발 과제의 배경

• 20세기 후반에 이르러 온실가스 배출에 따른 기후 변화, 공기 오염, 화석 연료 고갈 등 다양한 환경오염과 자원 고갈의 상황에 직면하면서 태양광, 풍력, 수력 등을 사용하는 재생 에너지와 연료전지, 수소 등을 사용하는 신에너지를 합친 신재생 에너지가 현 상황의 해결책으로 떠오르고 있다.

• 2019년에 정부가 발표한 수소 경제 활성화 로드맵의 양대 축으로 떠오르는 ‘수소 전기차’와 ‘연료전지’가 대두되면서 연료전지 산업이 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 정부가 에너지전환정책의 하나로 수소 경제 정책을 펼치고 있는 가운데 수소 경제 내에서 연료전지가 친환경 분산발전원 역할을 해낼 것으로 기대된다.

• 또한, 정부의 수소 경제 활성화 로드맵에서 주가 되는 수소전기차와 함께 친환경 차로 전기차가 이목을 받고 있다.

• 미래 친환경 차로서는 다양한 후보들이 거론되고 있으며, 친환경 차 시장은 점차 확대될 것으로 기대됨. 친환경 차의 주요 대안인 수소전기차와 전기차를 비교하며 현재의 수준을 진단하고 전략적 투자를 위한 정책적 결론을 도출할 수 있다.

개발 과제의 내용 및 방법

• 수소전기차 (FCEV)와 전기차 (BEV)의 전 과정 효율비교

수소 연료전지 자동차(Fuel-Cell Electric Vehicle, FCEV)와 배터리 전기차(Battery Electric Vehicle, BEV)의 각 효율을 계산한다. 이 때 에너지 효율은 well-to-wheel (WTW) 분석으로 진행한다. well-to-wheel (WTW) 분석은 자동차 연료의 생애 전 과정 분석을 의미하며, 원유 산지(Well)부터 자동차 주행 과정 (Wheel)에 이르기까지 전체 과정을 나타낸다. 수소 연료전지 자동차의 전 과정에서는 수소 생산 및 운송과 저장 그리고 연료전지 자체에서의 에너지 손실 등을 통합하여 효율을 계산한다. 전기차의 경우에는 발전 및 송전과정에서 일어나는 손실과 충전과 모터 구동, 동력 전달과정에서 발생하는 손실 등을 통합하여 효율을 계산한다.

• 통합적인 지표를 적용한 평가

어떤 기술을 평가할 때는 한 가지 지표만으로 판단할 수 없다. 수소전기차와 전기차 자체만의 효율을 따지기보다 여러 가지 항목을 따져 보아야 한다. 일례로, 완충 주행거리, 완충 시간 등 성능적인 부분을 따져볼 수 있다. 또한, 두 기술 모두 CO2 감축을 위한 대안이라는 점을 들어 전 과정에서의 CO2 배출 등 환경 영향을 계산해보는 것도 필요하다. 우리나라의 경우 현재 발전전력량에서 기력(steam) 에너지가 가장 많이 차지하고 있다는 점[2]에서 전력생산과정에서의 CO2 배출을 무시할 수 없다. 따라서 현재 우리나라를 기준으로 계산을 해보고 정부의 그린뉴딜 정책에 맞추어 10년, 20년, 30년 후 발전 전력량 혹은 수소 생산 방식 변화 추이에 따라 수소전기차와 전기차의 통합적 지표를 적용하여 평가한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 수소차
  • 연료전지의 원리

연료전지에 의한 발전의 메커니즘은 물의 전기 분해의 역방향으로 진행된다. 즉, 물의 전기 분해에서는 물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소가 발생하지만, 연료전지에서는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시킨다. 이 반응으로 물(H2O)만을 배출한다.

연료극에서 수소는 수소 이온과 전자로 나누어진다. 전해질의 고분자 막은 수소 이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 된다. 수소 이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 된다. 이 양극 사이의 전위차에 의하여 전류가 발생한다.

• 연료전지의 종류

• 전기차

• 리튬이온배터리의 개요

여러 가지 납축전지, 니켈-메탈 하이브리드 배 터리 같은 충⋅방전이 가능한 이차전지가 있지만 그 중 리튬이온전지(lithium-ion batteries, LIBs)는 높은 에너지 밀도, 높은 출력 밀도, 오랜 충⋅방전 을 견딜 수 있는 작동 전압 등을 이유로 가장 높은 관심을 받고 있다[3].

• 리튬이온배터리 양극재에 따른 분류

리튬 이온 전지는 크게 양극 (cathode), 음극 (anode), 전해질 (electrolyte)의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 다양한 종류의 물질들이 이용될 수 있다. 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연이다. 양극재는 크게 LCO, NCA, NCM, LMO, LFP로 나뉜다. 스마트폰이나 노트북 등 전자기기에 많이 사용되는 양극재는 LCO이지만 자동차용으로는 내부저항의 문제로 사용되지 않는다. 자동차용으로 많이 쓰이는 양극재는 주로 NCA, NCM, NMC, LFP 이렇게 네가지 종류이다[4]. 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하는가에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀔 수 있다. 아래의 표는 양극재의 종류의 따른 특성에 대한 설명이다.

• 리튬이온배터리 형태에 따른 분류

원통형

기계적 안정성이 뛰어나 배터리팩 구성이 용이하고 생산가격이 낮다. 제릴롤 형태의 전극으로 생산성이 높다. 하지만 에너지 밀도가 떨어져 많은 셀을 연결해서 팩을 구성해야한다. 주 제조사는 LG화학, 파나소닉이며, 배터리 주사용 자동차 브랜드는 Tesla이다. 테슬라 자동차 모델 중 Tesla X(2015)는 18650형의 배터리를 사용하고 Tesla 3 (2017)은 21700 형의 배터리를 사용한다. 숫자의 의미는 지름과 높이를 의미하며, 21700형 배터리가 18650형 배터리보다 전극면적이 넓어 cell당 에너지량이 50%가량 높아지고, cell 저항이 작다. 하지만 에너지 밀도에서는 큰 차이를 보이지 않는다[5].

파우치형

높은 에너지 밀도로 다양한 형상으로 제조가 가능하며, 열관리가 용이하다. 하지만 생산성이 낮고 모듈과 팩 구성 시 개발 난이도가 높다는 단점이 있다. 배터리의 주 제조사는 LG화학, SK이노베이션 등이 있고, 본 형태의 배터리를 주로 사용하는 자동차 브랜드는 현대기아차, 닛산, 르노 등이 있다[6].

• 전기차와 수소차 비교

관련 시장상황에 대한 분석

• 국내 발전용 연료전지는 남동발전이 2006년 설치한 250kW급을 시작으로 성장하였으나, 2008년부터 2012년 사이에는 성장세가 주춤하였다. 이후 2012년 RPS 정책이 시행되면서 본격적으로 연료전지 발전소가 설치되었는데, 2013년에는 국내 최대 연료전지 발전소인 경기그린에너지(58.8MW)가 가동되기 시작했으며 연간 68MW 설치실적을 기록하였다. 이후에도 연간 30~40MW 수준에서 설치/보급이 이루어지면 연료전지 시장 개화를 이끌었다.

• 최근에는 한국전력 발전 자회사들을 중심으로 신규 연료전지 사업 추진이 활발하게 진행 중이다. 남동발전은 2006년 분당발전본부에 300kW급 1단계 연료전지를 시작으로 2013년 2단계(3.08MW), 2016년 세계 최초 복층형 3단계(5.72MW) 설치, 2018년 5단계(5.72MW) 사업을 거쳐, 2019년 4월 국내 기술력으로 제작한 4단계 16.72MW의 PAFC 시스템과 6단계 8.35MW의 SOFC 시스템을 준공했다. 남동발전은 6단계 연료전지 사업 완수를 통해 정부의 재생에너지 강화방안에 맞춰 수소경제 활성화에 긍정적 영향을 끼쳤으며, 발전용 연료전지 시장에서 우위를 점할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이를 발판으로 현재 분당발전본부와 안산복합에서 운영 중인 42MW의 전용 연료전지 용량을 2030년까지 350MW로 확대할 계획을 갖고 있다.

• 국내 발전용 부문에서 가장 많이 채택되는 방식은 MCFC와 PAFC이며, 대표 생산업체로는 포스코에너지와 두산 등이 시장에 참여하고 있다. 포스코에너지는 2007년부터 본격적으로 연료전지 분야 투자를 진행해 왔으며, 2007년 2월 미국의 Fuel Cell Energy와 기술제휴계약을 체결하여 기술을 도입해왔다. 이후 2015년 포항에 세계 최대규모인 연 100MW 이상의 생산능력을 갖춘 발전설비를 갖추었으며 100kW ~ 11.2MW 급의 MCFC 시스템을 중점적으로 판매하고 있다. 두산은 2014년 미국의 Clear Edge Power 인수 및 국내 퓨얼셀파워 합병을 통해 연료전지 사업에 진출하였으며, 발전용 및 주택/건물용 시장에 집중하고 있다.

• 이를 인수한 두산은 발전용의 경우 UTC Power의 PAFC 방식의 시스템을 적용하였으며, 주택/건물용 연료전지는 퓨얼셀파워의 PEMFC 기술을 적용하고 있다.

• 누적 설치량은 포스코에너지가 최대이나 최근 수주실적은 두산이 앞서고 있으며, 해외업체인 Bloom Energy와 Fuel Cell Energy 등도 국내 발전용 시장 진출을 본격화하고 있는 양상이다. 가장 오래된 업력을 보유한 포스코에너지의 시장 점유율은 2018년 말 기준 약 56%를 차지하고 있으나, 핵심 제품인 MCFC 스택의 품질 이슈, 저가 장기유지보수계약(Long Term Service Agreement, LTSA) 체결에 따른 손실 발생 등으로 최근 4년간 합산 영업적자가 3,300억 원에 달하는 등 적자 기조가 지속되고 있다.

SWOT 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 연료전지 기술이 가져올 기대효과

연료전지는 수소를 사용해 전기와 열을 생산하는 친환경 기술로써, 정부가 에너지 전환정책의 하나로 수소 경제 정책을 펼치고 있는 가운데 수소 경제 내에서 친환경 분산발전원 역할을 수행할 것으로 기대되고 있다. 현재의 화석연료 기반 산업구조에서 수소 기반 산업구조로 변화시키기 위해서는 많은 시간과 비용이 필요하다. 이러한 과도기적 상황에서 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 역할이 중요해지고 있다. SOFC는 수소뿐만 아니라 천연가스도 연료로 이용할 수 있기에 기존의 화석연료 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 점 때문이다. 추후 수소연료로도 발전할 수 있기에 수소와 천연가스 공급 및 가격 변동에도 유연하게 대처할 수 있는 장점이 있다. 발전효율이 높은 SOFC는 연료전지 시장을 선점∙확대하고 이후 수소 경제에서의 연료전지 산업 생태계를 형성할 수 있는 중요한 연결고리 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다

• 연료전지 성능 영향 인자 파악으로 개선 방향 제시

수소에너지가 무한정에 가까운 친환경 연료에 많은 분야에 쓰이는 것은 분명 명백한 장점이다. 하지만 아직 보완해야 할 점 또한 많다. MCFC와 SOFC는 고온에서 운전되는 만큼, 고온에서 견딜 수 있는 소재 개발에 대한 어려움이 있으며, DMFC는 전해질 막을 통한 메탄올의 투과 현상 문제 해결을 위한 소재 기술개발이 필요한 실정이다. 반면, PEMFC와 PAFC는 시스템 분야 설계 및 운영에 관한 기술의 장벽이 높은 것으로 인식되는데, 이는 부품 및 소재에 관한 기술은 어느 정도 고도화가 이루어졌다는 것을 보여주는 한편, 아직 보급 확산이 이루어지지 않아 운전 및 운영에 대한 경험이 부족하다는 것을 보여준다. 이것들의 문제를 세부적으로 알아보고 개선 방향을 제시함으로 기술의 상용화에 이바지 할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 연료전지의 경제적 및 사회적 파급효과

 연료전지 시장은 우리나라, 미국, 일본 등을 중심으로 초기 시장이 형성되는 단계이다. 국내 연료전지 시장의 규모는 2013년 1억 9,000만 달러에서 2015년 4억 1,350만 달러로 약 117%의 큰 폭의 성장률을 기록했다. 성장률 수치를 기준으로 국내 연료전지 시장을 예측해보면, 2030 년 약 2조 5,718억 원 규모로 성장할 것으로 전망된다[4].
 연료전지의 고용계수는 MW당 30.0명으로 태양광(9.5명), 해상풍력(32.0명), 수력(24.9명) 등 신재생에너지 중에서 상위권을 차지함을 알 수 있다[5]. 또한, 연료전지의 고용창출 계수 (명/10억원)는 6.0명으로 다른 신재생에너지, 태양광 (6.3명), 해상풍력 (6.4명), 수력 (7.1명) 중에서는 낮은 위치를 차지하지만, 화력, 원자력과 같은 전통에너지 (2.54~3.00명)에 비해서는 높은 수준을 갖는 것을 알 수 있다[5].

• 과제 설계를 통한 경제적 및 사회적 파급효과

 이번 과제에서는 연료전지의 효율을 계산해보고 성능 영향 인자를 파악하여 개선 방향을 제시해 볼 뿐만 아니라 수소차 (FCEV)와 전기차 (BEV)의 효율을 well-to-wheel(WTW) 분석으로 진행하여 계산한다. 환경 영향을 고려하여 우리나라의 관점에서 해석한 통합적 평가를 제시함으로 투자자들과 정부 정책 경정 로드맵에 영향력을 끼칠 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

참고문헌

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